信號肽的作用機制、常見序列和特點及在生物技術(shù)中的應用

文章來源公眾號：純化大師                作者：玉珠隆磁珠

信號肽是位于蛋白質(zhì)N端的一段短肽，充當至關重要的作用,它能被細胞內(nèi)的信號識別顆粒（SRP）特異性識別，從而引導新合成的蛋白質(zhì)靶向至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等膜性結(jié)構(gòu)，并完成跨膜轉(zhuǎn)運。這一過程是蛋白質(zhì)分泌途徑的起始關鍵，廣泛應用于生物工程中以優(yōu)化蛋白表達、提高產(chǎn)量并簡化下游純化。接下來，玉珠隆生物小編將詳細介紹其作用機制及常見序列。

一、信號肽介紹
信號肽，也稱為信號序列（Signal Sequence），是一段存在于蛋白質(zhì)肽鏈N端的短肽（通常由1530個氨基酸殘基組成）。它的主要功能是引導新合成的蛋白質(zhì)到特定的細胞器或細胞膜，并最終使蛋白質(zhì)分泌到細胞外。

核心作用機制（“郵遞區(qū)號”理論）：
可以將信號肽理解為蛋白質(zhì)上的一個“郵遞區(qū)號”。其工作流程通常如下：

1.識別與結(jié)合：在細胞質(zhì)中，核糖體開始合成蛋白質(zhì)。當N端的信號肽一被合成出來，就會被一種稱為信號識別顆粒（SRP, Signal Recognition Particle） 的核糖核蛋白復合物識別并結(jié)合。

2.靶向運輸：SRP核糖體新生肽復合物被引導到細胞膜（原核）或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜（真核）上的SRP受體（又稱停泊蛋白）。

3.易位與穿膜：該復合物與膜上的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運通道（如SecYEG復合物 in 原核；Sec61復合物 in 真核） 結(jié)合。核糖體將新生肽鏈通過這個通道“推”出膜外。

4.切除與成熟：當?shù)鞍踪|(zhì)穿過膜后，位于膜另一側(cè)的信號肽酶（Signal Peptidase） 會在一個特定位點（ cleavage site ）將信號肽從成熟蛋白上精確地切割掉。

5.折疊與釋放：被切除信號肽的成熟蛋白質(zhì)在腔體內(nèi)或細胞外正確折疊，最終發(fā)揮功能。而被切除的信號肽則被其他蛋白酶降解。

主要優(yōu)點（在生物技術(shù)中的應用）：
提高蛋白產(chǎn)量：將目的蛋白分泌到胞外，可以避免胞內(nèi)積累對宿主細胞造成毒性，從而提高表達量。

簡化下游純化：培養(yǎng)基中的成分遠少于胞內(nèi)裂解液，雜蛋白少，極大簡化了純化步驟，降低了成本。

促進正確折疊：真核細胞中，分泌到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的蛋白可以在分子伴侶幫助下進行正確折疊和二硫鍵形成，提高可溶性蛋白的比例。

獲得天然N端：信號肽被切除后，成熟的蛋白質(zhì)擁有與其天然狀態(tài)一致的N端氨基酸序列。

二、常用的信號肽序列
選擇哪個信號肽取決于宿主系統(tǒng)（原核/真核） 和目標蛋白本身的性質(zhì)，通常需要通過實驗篩選最高效的那個。

（一）原核表達系統(tǒng)（主要用于大腸桿菌 E. coli）
原核信號肽主要引導蛋白質(zhì)穿過細胞內(nèi)膜到達周質(zhì)空間或培養(yǎng)基中。
1. PelB（來自歐文氏菌 Erwinia carotovora 的果膠酸裂解酶）
序列：MKYLLPTAAAGLLLLAAQPAMA
特點：在大腸桿菌中非常常用，高效，尤其常用于抗體scFv片段的表達。

2. OmpA（來自大腸桿菌的外膜蛋白A）
序列：MKKTAIAIAVALAGFATVAQA
特點：是大腸桿菌自身的高效信號肽，能將蛋白高效分泌到周質(zhì)空間。

3. PhoA（來自大腸桿菌的堿性磷酸酶）
序列：MKQSTIALALLPLLFTPVTKA
特點：也是自身信號肽，效率很高。

4. MalE（來自大腸桿菌的麥芽糖結(jié)合蛋白）
序列：MKIKTGARILALSALTTMMFSASALA
特點：不僅引導分泌，本身也是一個常用的親和純化標簽。

5. DsbA（來自大腸桿菌的硫氧還蛋白）
序列：MKKIWLALAGLVLAFSASA
特點：引導蛋白到周質(zhì)空間，該環(huán)境有利于二硫鍵的形成，非常適合表達需要形成正確二硫鍵的蛋白。

6. HlyA（來自大腸桿菌的溶血素A）
序列：MKKVILLAVTMFVAFSVSQA
特點：這是一種特殊的I型分泌系統(tǒng)（T1SS） 信號，能直接將蛋白從胞質(zhì)分泌到細胞外培養(yǎng)基中，無需停留在周質(zhì)空間。這對于需要直接獲得大量分泌蛋白的情況非常有用。

（二）真核表達系統(tǒng)（酵母、昆蟲細胞、哺乳動物細胞）
真核信號肽引導蛋白質(zhì)進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）腔，隨后通過高爾基體進一步加工并分泌到胞外。
1. 酵母表達系統(tǒng)（如畢赤酵母 P. pastoris）
①αfactor（來自釀酒酵母的α交配因子）
序列：MRFPSIFTAVLFAASSALA
特點：這是在畢赤酵母中最常用、最強大的信號肽。它非常高效，能驅(qū)動重組蛋白大量分泌到培養(yǎng)基中。其前導序列較長，需要經(jīng)過兩次酶切（Kex2和Ste13）才能完全去除。

②PHO1 ( acid phosphatase )
來源：釀酒酵母的酸性磷酸酶。
序列: MALSSTTLLAVLTVASAHA
特點：一種組成型表達的強分泌信號，在某些情況下可作為α-factor的替代方案。

③SUC2 ( invertase )
來源：釀酒酵母的蔗糖酶。
序列: MLQSLLFLLFLFSCLSAVSA
特點：另一個高效的分泌信號肽。

2. 昆蟲細胞表達系統(tǒng)（桿狀病毒表達系統(tǒng)）
桿狀病毒系統(tǒng)使用來自病毒或昆蟲自身的強效信號肽來驅(qū)動高水平蛋白分泌。
①.gp67 Signal Peptide
來源：苜蓿銀紋夜蛾核型多角體病毒（AcMNPV）的包膜糖蛋白gp67。
序列: MKLSLVAAMLFTATLAHA
特點：這是桿狀病毒系統(tǒng)中最常用、最高效的信號肽之一，能實現(xiàn)高水平分泌表達。

②Honey Bee Melittin Signal Peptide
來源：蜜蜂蜂毒肽前體。
序列: MKFLVNVALVFMVVYISYIYA
特點：同樣是一個非常強效的分泌信號，在許多商業(yè)載體中常見。

3. 哺乳動物細胞表達系統(tǒng)（如HEK293, CHO細胞）
哺乳動物細胞的信號肽通常來源于本身高水平分泌表達的天然蛋白。
①Immunoglobulinκ(Igκ) Light Chain Signal Peptide
來源：免疫球蛋白κ輕鏈。
序列: METDTLLLWVLLLWVPGSTGD 或 MDMRVPAQLLGLLLLWLPGARC
特點：非常通用和可靠，是哺乳動物表達載體中最常見的信號肽之一。它能高效引導抗體和多種其他重組蛋白的分泌。

②Human Serum Albumin (HSA) Signal Peptide
來源：人血清白蛋白。
序列: MKWVTFISLLFLFSSAYS
特點：來源于人體含量最豐富的血漿蛋白，其信號肽經(jīng)過高度優(yōu)化，效率很高。

③Trypsinogen Signal Peptide
來源：胰蛋白酶原。
序列: MDPNRCMLGTLLLLLTVLTVSHS
特點：另一個高效的分泌信號。

④Tissue Plasminogen Activator (tPA) Signal Peptide
來源：人組織纖溶酶原激活劑。
序列: MDAMKRGLCCVLLLCGAVFVSPS
特點：以極其高效的分泌能力著稱，常被用于增強難表達蛋白的分泌水平。但需注意：其切割效率可能受到下游目標蛋白N端序列的影響，有時會導致N端不均一。

⑤Interleukin-2 (IL-2) Signal Peptide
來源：人白細胞介素-2。
序列: MYRMQLLSCIALSLALVTNS
特點：常用于細胞因子和免疫相關蛋白的表達。 

常見的哺乳動物細胞信號肽匯總至下表：

三、重要注意事項
1. 切割效率：信號肽的切割不是100%準確的。錯誤的切割會導致蛋白N端不均一，可能影響活性和穩(wěn)定性。
2. 上下文依賴性：信號肽的效率不僅取決于自身序列，還與其引導的目標蛋白的第一個氨基酸密切相關。有時需要優(yōu)化信號肽后的幾個氨基酸以確保高效切割。
3. 宿主選擇：雖然有些信號肽具有交叉活性（如某些真核信號肽在大腸桿菌中也能工作），但最好使用與宿主系統(tǒng)匹配的信號肽以獲得最佳效果。
4. 實驗驗證：沒有一個信號肽是萬能的。對于重要的表達項目，最好能同時測試23種不同的信號肽，通過實驗確定哪一個對您的特定蛋白最有效。